一种测定金属氧化动力学的方法技术

本发明专利技术是一种基于固体电化学原理的测定金属氧化动力学的方法，通过将金属氧化过程消耗的氧量经过电化学过程转化为电荷量来获取氧化动力学曲线。由ＺｒＯ↓［２］固体电解质管、隔断阀和石英管构成一个封闭体系，在ＺｒＯ↓［２］固体电解质管内外壁上沉积或涂覆铂电极构成电化学氧泵，将氧化样品与固体电解质电化学氧泵分别处于不同的温度，实现氧化温度和氧压可调，将氧泵电流积分与氧化时间做图可获得氧化动力学曲线，可用于金属及合金氧化动力学测定，包括产生挥发性氧化物的体系的动力学测定。本发明专利技术方法的结构简单，操作简便，测试数据精度高，运行费用低，控制和数据处理计算机化。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电化学方法测试金属材料性能，特别是用固体电化学测定金属材料氧化动力学。氧化动力学的测试是研制耐高温氧化材料的重要手段。氧化动力学的测试归根结底就是要正确地显示出某个能表征氧化反应进行程度的参量随时间的变化规律。传统的氧化动力学测试方法主要是直接测量试样增重或测量氧气的消耗量。测量增重的仪器主要有分析天平、精密弹簧构成的测试系统和高精度的电子热天平等。分析天平或精密弹簧构成的测试系统结构简单、操作简洁，但数据的精度和重现性较差；电子热天平测量数据精度高、重现性好，但设备复杂、操作不便、设备及运行费用昂贵、对实验室环境要求高，因此尚不能获得普遍应用。测量氧消耗量的方法主要是容量法和压力法。容量法的优点是在低压下灵敏度较高，但其局限是只能在13332.2～93325.4Pa的纯氧内进行测试，温度变化、杂质气体或惰性气体的掺入会带来测量误差，不能用于生成挥发性产物的体系。压力法的优点是装置简单，灵敏度也较高，但缺点是压力的精确测量不易实现，尤其对于低压，需经校正，对试样的表面洁净度有较高要求，不能用于产生挥发性腐蚀产物或二次气体的体系。自十九世纪八十年代固体电解质被发现以来，固体电解质已在热力学研究领域得到了广泛地应用，并逐渐引入到动力学的研究，其中包括氧化研究。1965年，V.BTare和H.Schmolzried报道了将CaO稳定化的ZrO2固体电解质用于铁氧化反应速率常数的测定。其原理是利用固体电解质在适宜的工作温度范围内，当其两侧氧分压存在差异时，可构成一氧浓差电化学电池的特性。实验测试中，创造条件使固体电解质一侧的氧分压受控于铁的氧化反应速度，另一侧的氧分压保持恒定，则通过记录的氧浓差电化学电池的电动势一时间曲线可得出氧化反应起止时间，再由相关公式可计算出氧化反应速率常数。此方法的局限性在于，对试样制备要求极高；只能在特定氧分压下进行测试；测试温度局限于固体电解质工作温度范围内。C.Y.Yang等人则利用ZrO2+Y2O3固体电解质为基础构成的三电极体系进行金属初期氧化行为的研究。其不足之处在于，固体电解质/金属界面不等同于实际氧化气氛/金属界面，氧分压不可调整；研究的温度范围必须与固体电解质的工作温度范围保持一致，不可随意改变。因此，固体电化学法一直尚未在氧化动力学测试中获得实质性的应用。本专利技术的目的是提供一种基于固体电化学原理的测试金属氧化动力学的方法。通过将金属氧化过程消耗的氧量经电化学过程转换为电荷量来获取氧化动力学曲线，实现氧化温度和氧压可调，可用于产生挥发性氧化产物的体系的动力学测试。本方法的测试数据具有高精度、控制和数据处理计算机化。本专利技术的测定金属氧化动力学的方法是由ZrO2固体电解质管、真空隔断阀和石英管构成一个封闭体系，在ZrO2固体电解质管内外壁上沉积或涂覆铂电极构成电化学氧泵，通过电化学氧泵将氧泵出或泵入封闭体系，保持封闭体系内处于设定的氧压；ZrO2固体电解质管和石英管的联接部分控制在恒定室温，ZrO2固体电解质管和石英管的两个端部分别置于两个独立控温的高温加热炉中，并被各自控制在ZrO2固体电解质的工作温度(600-900℃)和金属氧化所设定的温度(不能超过石英管的软化温度)；样品放置在石英管内室温区，待封闭体系内的气体组成和压力调整稳定至测试设定值，用磁推送系统将样品由室温区推至氧化高温区，氧化动力学测试开始。气体压力变送器监控样品氧化时氧压的变化并输出相应的标准电流信号；由计算机、数模、模数转换器、外控电源等构成的控制执行系统控制氧泵工作，向封闭体系泵入氧，保持体系内的氧压为在恒定设定值。计算机控制系统在氧泵工作时，每隔一秒通过模一数转换器采集气体压力信号，同时将采集信号与设定的压力值进行比较，决定氧泵的开关状态。氧泵处于打开状态时以恒电流向封闭体系泵入氧。对氧泵电流积分得到流过氧泵的电荷量，其与经氧泵输运的氧量之间符合Farady定律，由此可得到封闭体系的氧增量，即金属的氧化增量，氧化增量与时间的关系即所测得的金属氧化动力学。附图说明图1为本专利技术的金属氧化动力学测试方法的简要结构图。如图1所示，ZrO2固体电解质管(2)和石英管(1)在开口端通过真空封胶封入联结法兰(3)中，两个发兰再相互联接，其中一个法兰上联接真空隔断阀(15)，真空隔断阀(15)直接与充气阀(16)相接。电化学氧泵由在ZrO2固体电解质管(2)的内外壁上沉积或涂覆两个铂电极(6)，并相应联接内外铂导线构成，其内铂导线经联接法兰(3)引出。电化学氧泵和石英管的两个封闭端各自安装有高温加热炉(4)、(5)。石英管内外平行放置两块永磁体(12)，管内永磁体与陶瓷杆或石英丝或铂丝或预氧化的FeCrAl丝做成的推杆(13)连接，推杆(13)另一端接样品(14)。气体压力变送器(9)一端与ZrO2固体电解质管(2)和石英管(1)的联接发兰(3)相接，另一端与模-数转换器(10)相接。外控电源恒电位仪(7)一端连接ZrO2固体电解质(2)的两个铂电极(6)，另一端与数-模转换器(8)同时与计算机控制系统(11)相接。恒温控制系统为(17)。本专利技术的目的之实现结合氧化动力学测试方法的简要结构图具体描述如下测试开始前，通过真空隔断阀(15)和充气阀(16)将封闭测试系统内的气体组成和压力调至测试设定值。气体压力由气体压力变送器(9)测量并以标准电流信号输出。测试开始时，由样品推送系统将样品由室温区迅速推入高温氧化区。测试开始后，计算机控制系统(11)每隔一秒通过模-数转换器(10)采集系统气体压力信号，并将其与设定的压力值进行比较若采集值小于设定值，表明氧化引起氧的消耗。则计算机控制系统根据程序设定的泵氧电流值并经过数-模转换器(8)向外控电源恒电位仪(7)输出外控电压工作信号。外控电源恒电位仪据此输出恒定电压并经转换电阻转换为恒电流通过氧泵两电极。电流流动方向为由氧泵内电极经固体电解质流到外电极，使氧由管外被输运到管内。在氧泵工作过程中，计算机控制系统每秒采集系统内压力信号。若采集值等于设定值，表明氧化消耗的氧已得到补充。计算机控制系统指令外控电源恒电位仪输出零电压，氧泵停止工作，处于关断状态；若采集值小于设定值，则氧泵继续工作，处于开状态。计算机控制系统每秒操作前先判断氧泵的开关状态，以便能正确地进行泵氧电流积分。可以随时调整泵氧电流的大小，保持测试系统内的压力波动最小。由于在某一段时间内通过氧泵进入封闭系统内的氧量等于同期金属氧化消耗掉的氧量，该氧量与流过氧泵的电荷量之间符合Farady关系式，因此电流积分后就可计算出某一段时间内测试样品的单位面积的氧化增量。在氧化测试过程中，泵氧电流的大小可以随时调整，以使测试系统内的压力保持最小波动。按控制程序设定的时间间隔获得样品的单位面积的氧化增量与氧化时间的关系曲线，即获得样品的氧化动力学曲线。氧化动力学曲线可以屏幕显示，数据(氧化增量-时间)可以数据文件形式存盘，可经绘图子系统按需要选择座标做图。在本专利技术中，由于采用固体电解质管、石英管和真空隔断阀构成封闭测试体系，保证了测试过程中封闭体系内保持恒定的氧压，金属氧化消耗的氧仅通过电化学氧泵泵入的氧补充。电化学氧泵的工作温度和金属氧化的温度由两个独立控制的加热炉提供，因此克服了传统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测定金属氧化动力学的方法，用固体电解质，其特征在于，由ＺｒＯ↓［２］固体电解质管、石英管和真空隔断阀构成一个封闭体系，保持所需的氧压；ＺｒＯ↓［２］固体电解质管和石英管的联接部分控制在恒定室温，ＺｒＯ↓［２］固体电解质管和石英管的另两个封闭端部分别置于两个独立控温的高温加热炉中，被加热到ＺｒＯ↓［２］固体电解质的工作温度（６００－９００℃）和金属氧化所设定的温度（不能超过石英管的软化温度）；ＺｒＯ↓［２］固体电解质管内外壁沉积或涂覆铂电极构成电化学氧泵，通过电化学氧泵将氧泵出或泵入封闭体系，保持封闭体系内所设定的氧压；样品放置在石英管内之室温区，待封闭体系内的气体组成和压力调整稳定至测试设定值，用磁推送系统将样品由室温区推至氧化高温区，氧化动力学测试开始；气体压力变送器监控氧压的变化并输出相应的电信号，计算机控制系统根据此信号控制氧泵工作，向封闭体系泵入氧，体系内的氧压保持在恒定值；测定计算泵氧电流得到样品的氧化动力学数据并自动绘制氧化动力学曲线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何业东，姚红宇，李正伟，齐慧滨，
申请(专利权)人：新产业投资股份有限公司北京烽森技术分公司，北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]